ИСТИНА

Проблема исследования энергетического спектра и массового состава первичных космических лучей (ПКЛ) является фундаментальной для физики космических лучей и решается уже несколько десятилетий. Знания о ПКЛ важны в том числе для планирования и обеспечения безопасности космических полётов, а также создания и эксплуатации надежных глобальных каналов связи. Область энергий 1-1000 ПэВ является переходной от галактических к внегалактическим космическим лучам. Исследование этой области энергий возможно только косвенным методом широких атмосферных ливней (ШАЛ) в силу малости потока ПКЛ и необходимости использовать детекторы больших размеров и массы. Эти обстоятельства затрудняют получение информации об энергетическом спектре и особенно о массовом составе ПКЛ при сверхвысоких энергиях. Применяемые в настоящее время методы позволяют оценивать либо средний состав ПКЛ или же выделить «легкие» и «тяжелые» группы. Данный проект направлен на развитие и реализацию методики изучения ПКЛ, предложенной академиком А.Е. Чудаковым — регистрации оптического излучения Вавилова-Черенкова, обычно называемого черенковским светом ШАЛ (ЧС ШАЛ), отраженного от снежной поверхности земли. Данная методика позволяет регистрировать ЧС в приосевой области ШАЛ с высокой точностью, а это наиболее чувствительная характеристика развития каскада в атмосфере к типу первичной частицы.

The problem of studying primary cosmic rays (PCR) of ultrahigh energies was posed in the middle of the last century. Orbital detectors realize direct registration of cosmic particles, but they allow to study cosmic rays up to about 1 PeV. At higher energies, physicists are forced to use the method of registering extensive air showers (EAS). The EAS has dimensions of the order of tens of km in the longitudinal and of the order of km in the perpendicular direction, which implies the creation of a detector array capable of simultaneously viewing an ensemble of particles of such scales. The results of indirect measurements are significantly more modest than direct ones, in particular, the dominant method of registering EAS hardly distinguishes the masses of primary nuclei. The main obstacle is the uncertainty in the description of nuclear interactions at ultrahigh energies, which even experiments at the LHC did not help to overcome. There is one compromise solution proposed in 1972 by A.E. Chudakov and developed over the last few decades by R.A. Antonov's group at the Institute of Nuclear Physics of MSU. We mean a series of Cherenkov telescopes SPHERE, surveying the snowy surface from above. Their important features are the ability to survey a significant part of the snow surface, to vary the sensitivity range for primary energy by changing the height above the snow, compactness, mobility and relative cheapness. In fact, one such detector can compete with a distributed ground installation in terms of the accuracy of restoring the parameters of the primary particle. The design of the telescope has so far been chosen based on the results of a detailed computer simulation of the process of registering EAS, but there were not enough computational capabilities to obtain an optimal design in order to achieve the highest possible accuracy of estimates of the energy, direction and mass of the primary nucleus at a fixed price, size and mass of the telescope and the method of its delivery to the observation point. Such opportunities are provided by the use of the Lomonosov-2 computer in combination with file servers for storing and processing large volumes of samples of artificial events. Therefore, we consider the actual goal of the project to implement the technology of optimal design of telescopes of the SPHERE type. Most likely, it will be possible to apply it to optimize the design of ground-based Cherenkov installations. The novelty of the approach is due to several circumstances: a) the Cherenkov light of the EAS reflected from the snow surface and the direct light falling on the photosensors from above will be used to register the EAS; b) estimates of the parameters of showers will be based only on directly measured characteristics of events, which gives a minimum of distortion during processing and avoids simplifying assumptions; c) the telescope design options will be compared according to the uncertainties of these parameters obtained with the accepted algorithm for estimating these parameters, that is, optimization for the final goal will be carried out.

В результате выполнения проекта будет разработан автоматизированный метод оптимального дизайна телескопа типа СФЕРА, который не только оптимизирует конкретный телескоп СФЕРА-3 для получения наиболее точных оценок первичных параметров ШАЛ, но и позволит выработать набор правил и рекомендаций для конструирования других аналогичных детекторов и внесет вклад в развитие методов регистрации ШАЛ.

Участники коллектива успешно разработали и реализовали на практике новаторский метод изучения ПКЛ в области 10-1000 ПэВ. Основная идея нового метода заключается в регистрации черенковского света ШАЛ, отраженного от заснеженной поверхности земли небольшим прибором, поднятым над ней на аэростате. Этот уникальный метод мирового уровня был успешно реализован участниками проекта в аэростатном эксперименте с установкой СФЕРА-2 в период 2008-2013гг. Получен дифференциальный энергетический спектр по данным 2011-2013. Коллектив имеет опыт проведения полного прямого статистического моделирования отклика детектора СФЕРА-2 на ливни от первичных ядер с энергиями 1 - 100 ПэВ и различными зенитными углами. С помощью кода CORSIKA были рассчитаны пространственно-временные распределения черенковского света ШАЛ. Отражение света от снега, оптические эффекты, эффекты оцифровки сигнала электроникой детектора СФЕРА-2 и т.д. затем были учтены при моделировании откликов детектора с использованием кода Geant4. При планировании и проведении эксперимента СФЕРА-2 коллективом был разработан критерий разделения событий ШАЛ по массе первичной частицы на основании измерений формы поперечного распределения черенковского света. За последние годы проведен ряд работ по изучению поведения критериев первичной массы, основанных на форме поперечного распределения черенковского света в мозаике телескопа СФЕРА-2, их зависимостей от моделей взаимодействия и атмосферы и высоты детектора над снежной поверхностью. Выяснилось, что влияние модели атмосферы на качество разделения первичных масс сильнее, чем влияние модели взаимодействия. Это позволяет надеяться на получение единого (компромиссного) критерия для всех моделей взаимодействия при известной модели атмосферы и прочих равных условиях, которые известны или могут быть оценены по экспериментальным данным.

Результатом четвертого года и работы в целом будет база данных искусственных событий, коды для генерации и обработки образов для разных вариантов конструкции телескопа, оценки неопределенностей первичных параметров минимум для нескольких вариантов конструкции телескопа. Описание процедуры сравнения всех проанализированных вариантов конструкции телескопа СФЕРА-3. Вывод относительно оптимальной конструкции телескопа СФЕРА-3. Методические рекомендации по оптимизации конструкции телескопа типа СФЕРА. Публикации, описывающие процесс, результаты работы и методические рекомендации.